恶劣电磁环境下PLC控制系统抗干扰技术研究＊

(海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033)

1 引言

随着世界现代舰船科技的迅速发展,大型舰船在商业和军事上发挥着越来越重要的作用,但直接研究大型舰船往往要耗费大量资源,故而先研究一定缩尺比的船模更具有实际的意义。

目前PLC控制系统作为一种特殊形式的微型控制系统,在信号采集,信息传送,网络通信,实时控制以及抗干扰等方面都具有优越的性能[1]。并以其通用性好,编程简单,性能稳定,便于扩展等优点而被广泛应用于模型舰船的控制。但往往由于船模空间狭小,设备繁多,强电和弱电线路交叉布设等原因,造成船模上恶劣而复杂的电磁环境。在这种环境下存在诸多对PLC控制系统不利的干扰因素,这些干扰不但会直接影响系统的性能指标和正常运行,而且可能会导致PLC运行出错,程序“跑飞”,严重影响控制系统的可靠性,稳定性及安全性。

本文结合工程实践,根据某型船模的相关特点研究了控制系统的干扰来源及其抑制方法。经过验证,确实解决了一些实际的干扰问题,提高PLC控制系统的抗干扰能力,也增强了该船模的安全性能和稳定性能。

2 某型船模机电系统分析

由图1可以看出,在该船模的硬件系统构成中存在数字和模拟量传感器,PLC,驱动器以及逆变器等大量电子设备,它们由许多强电线路和弱电线路所构成。此外该系统电力均由24V恒压源电池组提供,当电机、逆变器等大功率设备在启停时会对系统电网造成严重的污染,使得系统电压大幅度涨落、浪涌从而导致电网上出现尖峰脉冲形成强烈电磁辐射干扰。这些干扰不单对系统有直接影响,也会在刚体船模有限的空间中多次反射,造成更为恶劣的的间接影响,对整个PLC控制系统的性能构成了极大的威胁,故而有必要对其进行研究并加以抑制。

图1 某型船模硬件系统框图

3 控制系统干扰来源分析

在工业应用中,设备现场产生的电磁干扰源的数量和强度取决于设备组成系统的复杂程度及用电设备的数量,种类,功率等因素,凡是有电流快速变化(或者有突变)的设备都会产生电磁干扰。根据电磁感应原理,感应电压e=-Ldi/dt,式中i为用电设备中的电流,L为电流回路等效电感,感应电压由电流变化而产生,这个感应电压即为干扰信号,它以电场和磁场的形式向空间辐射或沿传输导线传导进入电子电路,使电路中的正常信号被叠加而产生干扰,由此引起了PLC控制系统的不稳定[2]。结合实际情况,该船模硬件系统中产生干扰信号的形式有：继电器和开关量的动作,逆变设备的运行及电机的启停等等。此外该船模上使用的电源导线数量多,传输功率大,导线载流时也会形成电磁辐射,这种辐射易于对模拟量变送器造成干扰。本文依据这些干扰的形式对船模干扰来源做了相关分析,具体如下：

3.1 系统电源干扰

由于24V恒压源电池组要对整个船模提供电力,因此当开关量动作,大功率设备起停以及逆变器的运行都有可能对电网形成浪涌冲击,进而产生谐波干扰,由此引起系统电压的不稳定。

实践中发现,使用差分信号转换为单路脉冲信号的电路在逆变器启停或继电器频繁动作时,尖峰脉冲常常会通过电源串入转换电路造成电子元件的损坏。

3.2 信号线干扰

船模硬件系统中,PLC连接了各类输入输出的信号线路,这些线路除了传输有效信号外,也会带入一些外部干扰信号。这些干扰主要有两种方式：一是通过传感器供电电源串入的电网对其形成干扰;二是信号感应空间电磁辐射而形成的干扰,这种干扰往往是很严重的[3]。由信号线引入的干扰可能会使PLC运行异常,测量精度降低,严重时还会引起设备故障。

3.3 接地干扰

PLC的接地是提高控制系统电磁兼容性的有效手段之一。接地不当或者错误的接地会引入严重的干扰信号,这会对使PLC系统无法正常工作甚至导致严重的损害,而正确接地则可以抑制电磁干扰的影响[4],从而保证PLC控制系统的稳定,安全运行。一般要处理好数字地、模拟地、机壳地之间的关系,防止因接地不当而引起电源间的串扰。

3.4 逆变器干扰

船模电力系统使用24V直流电源,而部分用电设备必须使用220V交流电才能正常使用,所以必须使用逆变设备对电压进行调整。但是逆变器在启停过程中会引起系统电压的畸变,影响控制系统的供电质量。此外逆变器含有复杂的斩波电路,当其正常工作时会产生很强的电磁辐射,影响其它设备的正常工作[5]。实践中发现逆变器对模拟量变送器影响最大,有时甚至导致某些变送器不能正常工作。

4 抑制干扰的原理及措施

电磁干扰具有随机性,分布广等特点,一般来说形成电磁干扰的有三个条件：噪声源、噪声辐射与耦合、受扰设备[6]。为保证船模PLC控制系统在空间较小,电磁环境恶劣的环境中仍具有较强的抗干扰能力。必须对这三个方面采取相应的抑制措施,即抑制噪声源,减弱甚至消除噪声源和受扰设备之间的耦合与辐射效应,加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力,具体措施如下：

4.1 硬件抗干扰

4.1.1 电源部分的抗干扰设计

当控制系统电源波动时易引起电压畸变而产生谐波干扰,这将影响PLC,输入输出模块及其它用电设备的稳定性。为了抑制干扰,供电系统最好采用隔离变压器,使强电系统接地点和弱电系统接地点分开。各个用电设备用各自的隔离变压器供电,并与主电路电源分开,这样局部电源出现故障时不会影响主电源,从而提高了系统的可靠性。

此外系统电源应该有冗余设计,各路配电模件应该有独立的过压,过流保护,同时要严格防止强电窜入低压电路。通过显示仪表时刻监视电源系统是否正常,供电电压和电流是否在规定的范围内。定期检查系统电源接地是否可靠,线路绝缘等级是否达标。通过采取这些措施,电源造成的干扰就可得到有效抑制。

4.1.2 输入输出信号的抗干扰设计

在船模硬件系统中,PLC连接了大量的输入输出信号线路。其中输入信号线间的差模干扰可用滤波来减小,而其与大地间的共模干扰则可通过控制器的接地来抑制。当输入信号有感性负载时,用硬件容错技术防止其信号突变而产生感应电势的影响。一般可在交流输入信号两端并联电容和电阻,直流输入信号两端并接继流二极管即可。

PLC的输出信号通常为开关量,一般有继电器,晶闸管,晶体管输出三种形式,具体选型要根据负载要求来决定,若负载超过了PLC的输出能力,应外接继电器或接触器才能正常运行。负载呈现感性时,输出信号电平发生变化就可能会产生干扰,在实际操作中应采取措施以保护PLC的输出触点。直流负载可在线圈两端并联继流二极管,而交流负载可在线圈两端并联阻容吸收电路。此外实际中还对输入输出信号进行了隔离,光电隔离电路即可以消除这些干扰的影响。

4.1.3 接地抗干扰设计

接地技术在消除干扰方面具有广泛应用,良好的接地是保证PLC控制系统可靠、安全、稳定工作的重要条件。一般情况下应该处理好电源地,设备地,机壳地之间的关系。通常的地线有以下几种类型：信号地线,这包括数字地,模拟地等。噪声地线,包括继电器,大功率设备的地线。机壳地线,专供控制柜或箱壳接地使用,该地线应该和交流电源的地线相接。

在现场布线中,应采用一点接地的方式,这样可避免多点接地造成的各接地点电位不均所产生的干扰。此外为了抑制附加在电源及输入输出端子上的干扰,应给PLC提供独立地线且应与动力设备的接地点分开。若不能满足此要求,则也可与其它设备公共接地,但严禁与其它设备串联接地。接地电阻应小于100Ω,接地线要粗且面积要大于2mm2,长度一般不大于20m。接地线应避开强电回路,若无法避开时,应垂直相交,缩短平行走线的长度。

4.1.4 系统布线抗干扰设计

由于船模PLC硬件系统繁杂,输入输出接口较多,布线复杂,各个线路之间存在互感和分布电容,故而传送信号时难免会相互干扰。为了减少或防止这种干扰,交直流输入输出应分配独立电缆。

信号传输设备的输入输出应使用屏蔽电缆,屏蔽电缆应在PLC控制器侧一端接地,控制器的地线要与电源线或动力线分开。强电电缆与弱电电缆应分开布设,若只能放在同一桥架内,它们之间最好装隔离板防止干扰。此外在安装有逆变器或其它有较强辐射设备时,一定根据环境慎重考虑其安装位置和布线,尽量减少因布线不当所造成的干扰。

4.1.5 屏蔽

船模上的模拟量,数字量变送器以及其它重要的传输线路都具有屏蔽层,一般情况下其传输线屏蔽层应该一端接地,这种方法对抑制空间杂散电磁场的干扰是极其有效的[7]。

但是如果两端都有保护屏蔽接地,且其中一端已经连接信号地和大地,则此时屏蔽仅能削弱空间杂散电磁干扰。由供电电压突变等原因引起的共模干扰仍然存,甚至可能会更加严重。因此应将整个电路及其传输线对大地悬空。这种屏蔽加悬空的方式被广泛应用在变送器的信号传输上,实际抗干扰效果明显,不仅抑制了空间杂散电磁场造成的差模干扰,还很大程度上削弱了共模干扰。

4.2 软件抗干扰的方法

尽管以上硬件抗干扰措施可以消除该船模PLC控制系统大部分干扰信号,但造成干扰的原因复杂,有诸多的不确定性因素,故而很难确保PLC控制系统完全不受外界干扰。因此有必要在硬件抗干扰措施的基础上,进一步采取软件抗干扰加以补充。软件抗干扰以其简单可靠,便于修改,成本低等优点,在PLC控制系统中同样获得了广泛的应用。本船模的PLC软件系统中使用的抗干扰有以下几种：

1)防止系统运行失常的软件陷阱

当PLC软件系统失控,软件“跑飞”而进入非程序寄存器区段。只要在这些区段设置陷阱程序,就可以使程序进入初始状态,进而使得控制系统恢复正常。

2)提高数据采集精度的数字滤波法

船模的模拟量变送器在采集信号时难免会带进干扰,为了克服这些干扰对A/D转换精度的影响,工程实践中采用数字滤波技术。数字滤波是通过一定的软件算法实现滤波功能,可以从连续采样的数据中过滤干扰信号,而提取较为真实的数据。它具有灵活,可靠等特点[8]。一阶数字滤波公式为：

其中,Q为数字滤波器时间常数;Xn为第n次采样时的滤波器输入;Yn为第n次采样时的滤波器输出。

3)防止状态失常的自检

在满足系统实时性的前提下,可以设置自检程序来监视程序运行状态。自检程序不断正常循环运行,可以保证PLC控制系统中信号采集,信息传输,网络通信以及运算的可靠性。

5 结语

本文从设计某型船模PLC控制系统过程中遇到的一些实际问题出发,根据系统硬件构成,研究了在恶劣电磁环境下PLC系统存在的干扰源,从硬件和软件两个方面有针对性的提出了一些抗干扰的措施。通过实践证明,这些措施够有效抑制外界干扰,提高船模PLC控制系统抗干扰能力,保证了该系统安全,稳定,可靠运行,达到了预期的设计目的。

[1]姚宏亮,姚光顺.PLC应用及使用中应注意的问题[J].安徽电子信息职业技术学院学报.2006,23(5)：74～76

[2]姚广平,陈健东.工业现场测控系统的电磁干扰分析与对策[J].微型机与应用.2009,27(19)：72～74

[3]韩刚,徐万玉.工业电子控制装置的抗干扰技术[M].北京：中国铁道出版社,1984

[4]张继红.工业现场PLC控制系统的抗干扰设计[J].2006,24(16)：259～260

[5]张松春,赵秀芬,竺子芳,等.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].北京：机械工业出版社,1989

[6]毛楠,孙瑛.电子电路抗干扰实用技术[M].北京：国防工业出版社,1996

[7]张聪,张慧,何劲.电源监控系统中的干扰与抗干扰问题[J].船电技术,2004,24(3)：45～47

[8]杨科,蔡巍.工控软件的抗干扰对策[J].石油机械,1999,27(10)：53～55